DE4228086A1

DE4228086A1 - Metolyt Elektrisches Sensor-Bauelement

Info

Publication number: DE4228086A1
Application number: DE19924228086
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Schlicksupp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-08-24
Filing date: 1992-08-24
Publication date: 1994-03-03

Description

Die fortschreitende Automatisierung und Roboterisierung wird auch wesent lich durch die Entwicklung von Sensoren bestimmt, die vorzugsweise variab le elektrische Signale als Steuer- und Regelungsgrößen abgeben sollen. Unter dem Aktenzeichen P 42 14 697.6 wurde mit "Vario Conduct" ein elek trisches Bauelement zum Patent angemeldet, das solche variable Signale dadurch erzeugt, daß ein formveränderliches Gehäuse, das mit Elektrolyt gefüllt ist, bei Bewegungen (z. B. Biegung, Torsion) den leitenden Quer schnitt verändert.

Auch das Grundprinzip des hier beschriebenen Sensors, im weiteren auch Metolyt genannt, beruht auf variablen Querschnittsver änderungen einer Elektrolyt-Füllung, allerdings auf anderen Wegen.

Das Basis-Prinzip von Metolyt ist in Fig. 1 dargestellt. Als Gehäuse dient hier ein konisches Rohr (1) aus Isoliermaterial, das an beiden Enden abgedichtet und elektrisch kontaktiert wird. Das Konus-Rohr (1) ist mit einem flüssigen oder gasförmigen Elektrolyten (2) gefüllt. Befin det sich an der Position x in axialer Mitte ein (nichtleitender) Körper, hier: eine Kugel (3), und wird zwischen den Rohrenden die Spannung V ange legt, dann fließt der Strom A_x. Verändert man die Position der Kugel nach y, dann vergrößert sich der freie Ringspalt R zwischen Kugel und Konus- Rohr. Da sich damit gleichzeitig der elektrische Widerstand des Systems verringert, fließt nun der stärkere Strom A_y. Verschiebt man die Kugel in Position z, dann wird der freie Ringspalt kleiner, der Widerstand steigt und die Stromstärke nimmt auf A_z ab.

Die Fläche des Ringspaltes wird im weiteren - und allgemeiner - als elek trisch leitende Querschnittsfläche bezeichnet.

Dieses in Fig. 1 gezeigte Prinzip wird in Fig. 2 in ein praktisches Sensor element umgesetzt. Als Gehäuse dient hier ein bogen- oder hornförmiges Glasrohr (4), dessen Durchmesser sich kontinuierlich von d1 nach d2 auf weitet. Die Enden sind wiederum abgedichtet und kontaktiert. Das Bogen- Konus-Rohr ist mit einem flüssigen Elektrolyten gefüllt, jedoch unter Einschluß einer Luftblase (5) - ähnlich wie bei der Libelle einer Wasser waage. Die Luftblase steigt an die höchste Stelle des Rohr-Bogens und verdrängt dort soviel Elektrolyt, daß an dieser Stelle EQFI (Schnitt A-A in Fig. 2) als leitende Querschnittsfläche des Elektrolyten verbleibt. Legt man nun die Spannung V an, fließt der Strom A1.

Kippt der Sensor in die Stellung B-B, dann wandert die Luftblase im Bo gen-Konus-Rohr (4) in Richtung der Durchmesserverkleinerung. Dadurch ver ringert sich die elektrisch leitende Querschnittsfläche in EQF2, der Wi derstand erhöht sich, und es fließt der geringere Strom A2.

Hier stellt Metolyt also verschiedene Neigungsebenen bzw. Winkelstellun gen in Abhängigkeit von der Stromstärke bei konstant angelegter Spannung dar.

Dieselbe Funktion wird erfüllt, wenn man anstelle einer Luftblase eine Schwimmkugel aus isolierendem Material in das Bogen-Konus-Rohr einbringt. Die Verwendung von Luftblase oder Schwimmkugel setzen die Füllung mit flüssigen Elektrolyten voraus, sowie die "konvexe" Anordnung dieses Sen sors, d. h. die Bogenkrümmung zeigt nach oben.

Eine Lageumkehrung des Metolyt-Sensors - die Bogenkrümmung zeigt nach unten - wird möglich, wenn eine Sinkkugel (Fig. 3a, 6) verwendet wird, die ein größeres spezifisches Gewicht als der eingefüllte Elektrolyt hat. Bei gasförmigen Elektrolyten (Fig. 3b, 7) ist dem Prinzip nach jedes feste Material für eine Sinkkugel geeignet. Die Funktion der Sinkkugel kann dann auch von einer Flüssigkeit (8) übernommen werden.

Kugel, Luftblase und Flüssigkeit haben im Sensor die Funktion, den (flüs sigen oder gasförmigen) Elektrolyten definiert zu verdrängen, um je nach Position im Sensorelement dessen elektrischen Widerstand zu verändern. Sie sind Verdrängungselemente. Diese, insbesondere feste Verdrängungs elemente können von unterschiedlichster Form (Linsen-, Rollen-, Würfel form u. a.) sein, auch, um sich der gewählten Gestalt des Sensorgehäuses bzw. des Elektrolytvolumens anzupassen.

Für die bis jetzt geschilderten Metolyt-Sensoren ist typisch, daß sich die Querschnitte der elektrolytgefüllten Gehäuse (bzw. Elektrolytvolumina) verändern. Dies kann - fallweise mit fertigungstechnischem Vorteil - auch dadurch erreicht werden, daß man - wie in Fig. 4 dargestellt - in ein regelmäßiges Gehäuse (hier ist es eine U-Bogenschale (9)) einen Formkörper (10) einbringt und gegebenenfalls einklebt. Die Bogenschale wird dann im Beispiel mit einem ihren Konturen folgenden Abdeckbogen (11) verschlossen.

Um Winkelstellungen nahe 360° zu sensorisieren, kann das Metolyt-Element wie in Fig. 5 ausgeführt werden. Als Gehäuse dient eine Scheibenschale (9a) mit einer Aussparung A′ für die Kontaktierungen. Der Einlege-Form körper ist so gestaltet, daß er über den Kreisumfang eine kontinuierli che Veränderung des elektrisch leitenden Querschnittes bewirkt. Die Scheibenschale (9a) wird mit einer Abdeckscheibe (11a) dicht verschlos sen. Anstelle der Aussparung A′ könnte die Kontaktführung auch durch die Abdeckscheibe oder durch den Boden der Scheibenschale erfolgen.

Die Veränderung des Widerstandes in einem Metolyt-Sensor durch Positions veränderung eines Verdrängungskörpers ermöglicht ebenso die Messung von kurzen Wegstrecken, analog einem Spulenpotentiometer. Dabei kann, wie Fig. 6 zeigt, eine axial geradlinige Ausführung des Sensors (in diesem Fall ein Konus-Rohr) von Vorteil sein. Das Verdrängungselement (13) wird mit einer Schub-Zug-Stange (14) verbunden, die gegen das Gehäuse (12) abgedichtet (15) wird. Der zu messende Weg s wird auch hier proportional zu einer Stromstärkenänderung ermittelt.

In Fig. 7 wird zur Wegmessung die Ausführung eines bogenförmigen Metolyt- Sensors gemäß Fig. 2 verwendet. Jetzt ist der Sensor auf einer Zahnscheibe (15a) befestigt und eine Zahnstange (14a) setzt die zu messende Weg strecke s in eine Winkelbewegung des Sensors um.

Die Bewegung des Verdrängungselementes im Metolyt-Sensor kann ebenfalls durch magnetische Mitnahme erfolgen. Fig. 8 zeigt den Einsatz einer ent sprechenden Anordnung zur Messung des Füllstandes F eines Behälters. Ein Magnetschwimmer (16) bewegt den Verdrängungskörper (17), der im Beispiel aus einem kunstoffummantelten Eisenzylinder besteht.

Grundsätzlich können alle Metolyt-Sensoren nach dem "Prinzip der inneren Rückführung" gestaltet werden, um beide Anschlußpole nebeneinander zu legen. Fig. 9 zeigt dieses Prinzip: Ein elektrisch isolierter Leiter (18) wird im Inneren des Sensors von der Stirnseite A durch den Elektrolyten zur Stirnseite B zurückgeführt, die er (isoliert) durchdringt. Ebenso ist es möglich, durch entsprechende Gestaltung des mit Elektrolyt gefüllten Volumens (Art der stetigen und/oder Sprungveränderungen der elektrisch leitenden Querschnittsfläche) einem Metolyt-Sensor innerhalb weiter Bereiche eine gewünschte Anzeigecharakteristik zu geben.

Eine Alternative zur Erzielung von Veränderungen der elektrisch leiten den Querschnittsfläche besteht darin, daß ein Element in die Elektrolyt- Füllung eingebracht wird, das dem Prinzip nach wie eine Schließ-Klappe funktioniert. In Fig. 10 ist ein solches Element scheibenförmig (20); die Drehbewegung wird durch eine gegen das Sensorgehäuse bzw. den Elektro lyten abgedichtete Welle (19) eingeleitet. In dieser Ausführung kann der Sensor nicht nur Drehbewegungen erfassen und in proportionale elektrische Signale verwandeln. Fig. 11 macht deutlich, daß mit geringfügigen kon struktiven Mitteln auch Wegänderungen (s), Pendelbewegungen (f′) und Kippbewegungen (f′′) sensorisiert werden können.

Während in Fig. 10 das Schließ-Klapp-Element (20) am Gehäuse des Sensors befestigt ist, wird dieses Element (23) in Fig. 12 durch einen Magneten (22) sowohl positioniert wie in Drehbewegung gebracht.

Weiterhin ist es möglich, daß die Veränderung des elektrischen Wider standes eines Metolyt-Sensors dadurch erfolgt, daß ein im Elektrolyt befindlicher (Verdrängungs-)Körper sein Volumen verändert. In Fig. 13 ist dies ein elastisches, blasenartiges Gebilde (24), das sich von V1 auf V2 ausweitet, wenn sich der beaufschlagte Druck von p₁ auf p₂ er höht.

Aus Gründen der Kompressibilität ist bei diesem Prinzip ein gasförmiger Elektrolyt vorzuziehen.

Die Sensor-Gestaltung gemäß Fig. 13 ist geeignet, um Luft- bzw. Gasüber drücke zu sensorisieren. Unterdrucke lassen sich dann erfassen, wenn ein elastisches, schlauch- oder blasenartiges Verformungselement (24) bei Normaldruck das definierte Volumen V_x hat, das sich bei Anlegung von Unterdruck verkleinert, um bei Normaldruck wieder zu seinem Ausgangvolu men zurückzukehren.

Fig. 13a zeigt, wie - entsprechend des Prinzips in Fig. 13 - der Sensor auch zur Bestimmung von Gewichten bzw. mechanischen Drücken angewendet werden kann.

Anstelle von Verdrängungskörpern, die ihr Volumen im Elektrolyt verändern, kann das Sensorgehäuse auch gasdichte Membranen (25) enthalten, deren Ver formung - zum Beispiel unter Gasdruck - ebenfalls eine Widerstandsände rung bewirkt (Fig. 14). Fig. 14a zeigt eine solche Membran-Ausführung, bei welcher ein isolierter Leiter durch das Gehäuse zurückgeführt wurde, da mit beide Anschlußpole an einer Stirnseite liegen.

Claims

1. Elektrisches Sensor-Bauelement - im weiteren mit ESB bezeichnet - das mit einer Veränderung seines elektrischen Widerstandes reagiert, dadurch gekennzeichnet, daß

a) in einem Gehäuse mit sich veränderndem Querschnitt, das mit flüssi gem oder gasförmigem Elektrolyt gefüllt ist, die Leitungsquer schnittsfläche - in Fig. 1 beispielsweise als Ringspalt kenntlich gemacht - des Elektrolyten sich verändert, indem ein unbefestig ter Verdrängungskörper im Gehäuse seine Lageposition verändert.
b) in einem Gehäuse, das mit flüssigem oder gasförmigem Elektrolyt gefüllt ist, die Leitungsquerschnittsfläche des Elektrolyten ver ändert wird, indem ein an- oder eingebrachtes befestigtes Element seine Lage (z. B. durch Drehung), sein Volumen (z. B. durch Ausdeh nung) oder seine Form (z. B. durch Einbuchtung) verändert.

2. ESB nach Anspruch 1a, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagepositions änderung des Verdrängungskörpers

a) als physikalische Reaktion (Auftrieb, Gravitation) auf Lageverän derungen des Sensorgehäuses erfolgt.
b) durch mechanischen Eingriff erfolgt, zum Beispiel durch ein Schub- Zug-Element (13, 14).
c) durch (wandernde) magnetische Felder erfolgt (16, 17).

3. ESB nach Anspruch 1a und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrän gungskörper je nach gewähltem Elektrolyt und je nach Einbaubedingun gen des Sensors zweckmäßigerweise Luft, eine Flüssigkeit (8), ein schwimmender Körper oder ein sinkender Körper (6) ist.

4. EBS nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungs körper einen signifikant abweichenden, bevorzugt extrem hohen, elekt rischen Widerstand im Vergleich zum gewählten Elektrolyten hat.

5. ESB nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrän gungskörper von unterschiedlicher regelmäßiger (Kugel, Rolle, Linse, Würfel, usw.) Gestalt oder von unregelmäßiger Gestalt sein kann.

6. ESB nach Anspruch 1a, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich einer oder mehrere gleiche oder mehrere ungleiche Verdrängungskörper in der Elektrolytfüllung befinden.

7. ESB nach Anspruch 1a, dadurch gekennzeichnet, daß der Axialverlauf des mit Elektrolyt gefüllten Gehäusevolumens geradlinig (Fig. 1, Fig. 8) oder gekrümmt (Fig. 2, Fig. 5) gestaltet ist oder andere, für den Ein baufall zweckmäßige Verläufe annimmt .

8. ESB nach Anspruch 1a und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gewünschte, sich über das Gehäuse ändernde Innenquerschnitt des Elektrolyt- bzw. Gehäusevolumens erzeugt wird, indem in ein Gehäuse, das regelmäßig (Fig. 4, Fig. 5, Fig. 8) oder unregelmäßig geformt sein kann, ein Form körper (10, 10a) eingelegt wird, oder das mehrere Formkörper eingelegt werden, die bevorzugt elektrisch nichtleitend oder extrem schlecht leitend sind.

9. ESB nach Anspruch 1a und 1b, dadurch gekennzeichnet, daß die elektri sche Kontaktierung an den beiden Enden des Gehäuses erfolgt (Fig. 1) oder an nur einem Ende, indem vom anderen Ende ein isolierter Leiter durch das Gehäuse-Innere zurückgeführt wird (Fig. 9).

10. ESB nach Anspruch 1a und 1b, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Elektrolyt gefüllte Gehäuse des Sensors entsprechend den individuel len Einbaunotwendigkeiten verstärkt, ummantelt, gekapselt und/oder mit Halterungen und/oder Kraft- und Bewegungsaufnehmern unterschied lichster Art versehen und/oder in andere technische Bauteile kon struktiv eingegliedert wird.

11. ESB nach Anspruch 1b, dadurch gekennzeichnet, daß ein einer Klappe gleiches oder vergleichbares Element durch eine isoliert zugeführte Welle in Dreh- bzw. Winkelbewegungen im Elektrolyten versetzt wird.

12. ESB nach Anspruch 1b, dadurch gekennzeichnet, daß ein querschnitts veränderndes Element (23) durch Magnetfelder an seinem Ort gehalten und/oder in Drehbewegungen versetzt wird.

13. ESB nach Anspruch 1b, dadurch gekennzeichnet, daß das sein Volumen ändernde Element (24) ein blasen- oder schlauchartiges elastisches Gebilde ist, das sein Volumen durch beaufschlagten Flüssigkeits- oder Gasdruck, der in das Gebilde eingeleitet wird, ändert.

14. ESB nach Anspruch 1b, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands änderung durch eine sich einwölbende Membran (25) am Gehäuse des Sensors bewirkt wird.

15. ESB nach Anspruch 1b, 11, 12, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eines oder mehrere gleiche oder mehrere verschiedene querschnittsverändernde Elemente handelt.